1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
NGUYỄN VĂN DIỄN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THỦY - NHIỆT
ĐẾN CHẤT LƢỢNG GỖ BẠCH ĐÀN (Eucalyptus urophylla S.T. Blake)
LUẬN ÁN TIẾN SĨ SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN
H Nội - 2015
2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
NGUYỄN VĂN DIỄN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ THỦY - NHIỆT
ĐẾN CHẤT LƢỢNG GỖ BẠCH ĐÀN (Eucalyptus urophylla S.T. Blake)
Chuyên ng nh: Kỹ thuật Chế biến Lâm sản
Mã số: 62 54 03 01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Phạm Văn Chƣơng
2. PGS.TS. Lê Xuân Phƣơng
H Nội - 2015
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ sản xuất và chế biến mang tên “Nghiên cứu
ảnh hưởng chế độ xử lý thủy - nhiệt đến chất lượng của gỗ Bạch đàn (Eucalyptus
urophylla S.T. Blake)”, mã số 62 54 03 01. Đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận án là hoàn toàn trung thực
và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác dƣới mọi hình thức.
Tôi xin chịu trách nhiệm trƣớc Hội đồng Bảo vệ Luận án Tiến sĩ về lời cam
đoan của mình.
Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2015
Tác giả luận án
Nguyễn Văn Diễn
ii
LỜI CẢM ƠN
Nhân dịp hoàn thành luận án, đầu tiên cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
tới GS.TS. Phạm Văn Chƣơng, PGS.TS. Lê Xuân Phƣơng đã tận tình giúp đỡ và
hƣớng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới Bộ Giáo dục và Đào tạo, Bộ Nông nghiệp và Phát
triển nông thôn đã giúp đỡ tôi về cơ sở pháp lý để tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Lâm
nghiệp, tập thể cán bộ giáo viên Khoa Chế biến Lâm sản (nay là Viện Công nghiệp gỗ),
Trung tâm thí nghiệm và Phát triển Công nghệ, Phòng đào tạo Sau đại học, Thƣ viện,
các Phòng chức năng thuộc Trƣờng Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ tôi về cơ sở vật
chất, trang thiết bị thí nghiệm và công sức để tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Công nghệ giấy, xenlulo - Viện Kỹ thuật
hóa học của Trƣờng Đại học Bách khoa - Hà Nội, Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc
gia vật liệu và linh kiện điện t - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam,
Phòng thí nghiệm của Viện vệ sinh dịch t Trung Ƣơng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp của
tôi, những ngƣời cùng công tác đã tận tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện, môi trƣờng làm
việc tốt nhất để tôi thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin g i lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã
dành cho tôi những lời động viên, khích lệ giúp tôi hoàn thành luận án này./.
Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2015
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Văn Diễn
iii
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan ........................................................................................................................i
Lời cảm ơn .......................................................................................................................... ii
Mục lục .............................................................................................................................. iii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ............................................................................ vii
Danh mục các hình vẽ ...................................................................................................... viii
Danh mục các bảng .............................................................................................................. x
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................................... 3
1.1. Khái niệm về biến tính gỗ và x lý thủy - nhiệt ........................................................... 3
1.1.1. Khái niệm biến tính gỗ ........................................................................................ 3
1.1.2. Khái niệm x lý thuỷ - nhiệt ............................................................................... 4
2.2. Tổng quan nghiên cứu về x lý nhiệt và thủy - nhiệt ................................................... 6
2.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ....................................................................... 6
2.2.1.1. Các phƣơng pháp x lý nhiệt hiện nay .................................... 6
2.2.1.2. Các công trình nghiên cứu về x lý nhiệt và thủy - nhiệt ....11
2.2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ................................................................... 16
1.3. Đánh giá ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp biến tính gỗ và phân tích đánh giá công
nghệ về x lý nhiệt ............................................................................................................. 20
1.3.1. Ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp biến tính gỗ ........................................... 20
1.3.2. Phân tích, đánh giá công nghệ về x lý nhiệt .................................................... 22
1.4. Định hƣớng s dụng sản phẩm x lý nhiệt ................................................................. 24
1.5. Nhận xét kết quả và định hƣớng nghiên cứu của luận án ........................................... 25
Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU .................................................................................................................. 28
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................................. 28
2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu tổng quát ........................................................................ 28
2.1.2. Đối tƣợng nghiên cứu cụ thể ............................................................................. 28
2.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 28
2.2.1. Các yếu tố cố định ............................................................................................. 28
iv
2.2.2. Các yếu tố thay đổi ............................................................................................ 29
2.3. Mục tiêu của luận án ................................................................................................... 29
2.3.1. Mục tiêu lý thuyết ............................................................................................. 29
2.3.2. Mục tiêu thực ti n.............................................................................................. 30
2.4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 30
2.5. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................ 31
2.5.1. Phƣơng pháp kế thừa ......................................................................................... 31
2.5.2. Phƣơng pháp thực nghiệm................................................................................. 31
2.5.3. Phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng và s dụng tiêu chuẩn kiểm tra ................... 36
2.6. Ý nghĩa của Luận án ................................................................................................... 44
2.6.1. Ý nghĩa khoa học............................................................................................... 44
2.6.2. Ý nghĩa thực ti n ............................................................................................... 44
2.7. Những đóng góp mới của Luận án.............................................................................. 45
Chƣơng 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 46
3.1. Cơ sở khoa học của x lý gỗ ....................................................................................... 46
3.2. Lý thuyết về x lý thủy - nhiệt.................................................................................... 49
3.3. Cơ chế biến đổi tính chất gỗ trong x lý thuỷ- nhiệt ................................................ 51
3.3.1. Quá trình biến đổi của gỗ trong x lý thủy - nhiệt .......................................... 51
3.3.2. Cơ chế biến đổi khối lƣợng thể tích gỗ ............................................................. 52
3.3.3. Cơ chế biến đổi tính ổn định kích thƣớc gỗ ...................................................... 53
3.3.4. Cơ chế biến đổi tính chất cơ học của gỗ ........................................................... 54
3.3.5. Tính thấm ƣớt và khả năng dán dính ................................................................. 58
3.3.6. Màu sắc bề mặt .................................................................................................. 59
3.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng gỗ x lý thuỷ - nhiệt ....................................... 59
3.4.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ x lý đến chất lƣợng gỗ x lý thuỷ - nhiệt ..................... 60
3.4.2. Ảnh hƣởng của thời gian x lý đến chất lƣợng gỗ x lý thuỷ - nhiệt ................... 61
3.4.3. Ảnh hƣởng của một số yếu tố khác đến chất lƣợng gỗ x lý thuỷ - nhiệt ......... 61
3.5. Giới thiệu chung về cây gỗ Bạch đàn ......................................................................... 63
3.5.1. Nguồn gốc và phân bố ....................................................................................... 63
3.5.2. Đặc điểm, cấu tạo của gỗ Bạch đàn ................................................................... 63
3.5.3. Tính chất của gỗ Bạch đàn ................................................................................. 64
3.5.4. Công dụng của gỗ Bạch đàn .............................................................................. 65
Chƣơng 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .............................................................................. 66
4.1. Địa điểm, thông số đầu vào nguyên liệu ..................................................................... 66
v
4.2. Quá trình thực nghiệm x lý thủy nhiệt gỗ Bạch đàn ................................................. 66
4.2.1. Sơ đồ thực nghiệm công nghệ x lý thủy - nhiệt .............................................. 66
4.2.2. X lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn................................................................... 66
4.3. Thiết bị x lý thủy nhiệt và dụng cụ thí nghiệm ......................................................... 68
4.4. Quá trình lấy mẫu và kiểm tra .................................................................................... 69
4.4.1. Phƣơng pháp lấy mẫu thí nghiệm ...................................................................... 69
4.4.2. Kiểm tra mẫu thí nghiệm ................................................................................... 70
4.5. Phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu .................................................................. 81
4.5.1. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến khối lƣợng thể tích gỗ Bạch đàn81
4.5.2. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Hệ số chống trƣơng nở ASE gỗ Bạch
đàn ...................................................................................................................................... 84
4.5.3. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến hiệu suất chống hút nƣớc (WRE) gỗ
Bạch đàn ............................................................................................................................ 87
4.5.4. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ bền uốn tĩnh gỗ Bạch đàn .. 90
4.5.5. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ bền nén dọc thớ gỗ Bạch đàn93
4.5.6. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến độ bền nén ngang thớ theo chiều
xuyên tâm và tiếp tuyến gỗ Bạch đàn ................................................................................ 96
4.5.7. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ nhám bề mặt gỗ Bạch đàn 101
4.5.8. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến Độ bền kéo trƣợt màng keo và Độ
bong tách màng keo gỗ Bạch đàn ................................................................................... 104
4.5.9. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến sự thay đổi màu sắc và độ bền màu tự
nhiên gỗ Bạch đàn............................................................................................................ 112
4.5.9.1. Sự thay đổi màu sắc của gỗ Bạch đàn trƣớc và sau khi x lý thủy - nhiệt
......................................................................................................................................... 112
4.5.9.2. Biến màu tự nhiên của gỗ Bạch đàn sau khi x lý thủy - nhiệt ........ 115
4.5.10. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến cấu tạo gỗ Bạch đàn ............. 117
4.5.11. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến thành phần hoá học cơ bản gỗ Bạch
đàn .................................................................................................................................... 120
4.5.12. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến cấu trúc hóa học gỗ Bạch đàn phân
tích bằng FTIR ................................................................................................................. 125
4.5.12.1. Cấu trúc hóa học của gỗ phân tích bằng phổ hồng ngoại (FTIR) ........ 125
4.5.12.2. Cấu trúc hoá học của gỗ Bạch đàn phân tích bằng FTIR .................... 128
vi
4.5.13. Ảnh hƣởng của chế độ x lý thủy - nhiệt đến cấu trúc hóa học của gỗ Bạch đàn
bằng phân tích phổ nhi u xạ tia X (XRD) ....................................................................... 131
4.5.13.1. Khái niệm về phổ nhi u xạ tia X (XRD) ............................................. 131
4.5.13.2. Tính toán độ kết tinh của xenlulo ........................................................ 132
4.5.13.3. Kết quả phân tích cấu trúc hóa học của gỗ Bạch đàn bằng phân tích phổ
nhi u xạ tia X (XRD) ....................................................................................................... 133
4.6. Vùng phù hợp của thông số công nghệ x lý thủy - nhiệt cho gỗ Bạch đàn ............ 135
4.6.1. Xác định vùng phù hợp các tính chất cơ học, vật lý và công nghệ của gỗ Bạch đàn
x lý thủy - nhiệt .............................................................................................................. 135
4.6.2. Phân tích đánh giá chỉ tiêu nhƣ màu sắc, thành phần hóa học cơ bản, cấu tạo và cấu
trúc gỗ Bạch đàn đƣợc x lý thủy - nhiệt ........................................................................ 141
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................... 142
5.1. Kết luận ..................................................................................................................... 142
5.2. Kiến nghị................................................................................................................... 144
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Stt
Ký hiệu
1
ASE
Hệ số chống trƣơng nở
2
WRE
T
Hiệu suất chống hút nƣớc của gỗ
%
Nhiệt độ
0
3
Diễn giải
Đơn vị
%
C
5
τ
ms
Thời gian
Khối lƣợng mẫu sau khi ngâm
6
mo
Khối lƣợng mẫu khô kiệt
g
7
T1
Hút nƣớc trung bình của mẫu đối chứng
%
8
T2
Hút nƣớc trung bình của mẫu x lý
%
9
ac(v)
Trƣơng nở thể tích trung bình của mẫu đối chứng
%
10
a1(v)
Trƣơng nở thể tích trung bình của mẫu x lý
%
11
Vs
Thể tích mẫu sau ngâm
cm3
12
Vo
Thể tích mẫu sau sấy
cm3
13
K
Khối lƣợng thể tích gỗ khô kiệt
14
m0
Khối lƣợng gỗ khô kiệt
15
V0
Thể tích gỗ khô
cm3
16
MOR
Độ bền uốn tĩnh
MPa
17
COM//
Cƣờng độ nén dọc thớ
MPa
18
COM R
Độ bền nén dọc thớ theo chiều xuyên tâm
MPa
19
COM T
Độ bền nén dọc thớ theo chiều tiếp tuyến
MPa
20
COM//
Độ bền nén dọc thớ
MPa
21
Rmax
Độ nhám bề mặt
µm
22
k
Độ bền kéo trƣợt màng keo
MPa
23
-OH
Hydroxyl
24
TCVN
X
4
25
Tiêu chuẩn Việt Nam
Giá trị trung bình mẫu
Giờ
g
g/cm3
g
viii
26
S
27
SEM
Sai số của số trung bình mẫu
Kính hiển vi điện t quét
SEM
28
FTIR
Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
FTIR
29
XRD
phổ nhi u xạ tia X
XRD
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
H nh
Tên h nh v ,
thị
Trang
1.1
Biến tính gỗ tác động đến cấu trúc tế bào gỗ
3
1.2
Quá trình biến tính thủy - nhiệt
5
1.3
Thiết bị x lý nhiệt và thủy - nhiệt
5
1.4
Ứng dụng gỗ x lý thủy – nhiệt dùng trong nội ngoại thất
25
2.1
Sơ đồ tổng quát quá trình nghiên cứu thực nghiệm của Luận án
32
2.2
Máy đo độ nhám bề mặt mẫu
39
2.3
Vị trí đo màu trên bề mặt gỗ Bạch đàn Uro
40
2.4
Máy quét SEM S-4800
41
3.1
Các thành phần hóa học cấu tạo nên gỗ
46
3.2
Hợp chất cao phân t xenlulo dƣới dạng 3D
47
3.3
Sợi hemicellulo trong vách tế bào gỗ
48
3.4
Vị trí của lignin trong vách tế bào gỗ
42
3.5
Sự thay đổi của liên kết hydro giữa các phân t xenlulo trong quá trình x
lý nhiệt
54
3.6
Quá trình nhiệt giải của hemixenlulo trong gỗ
55
3.7
57
3.8
Quá trình nhiệt giải của xenlulo
Cơ chế phản ứng của gỗ trong quá trình x lý nhiệt
4.1
Sơ đồ công nghệ x lý thuỷ - nhiệt
66
4.2
Thiết bị x lý thuỷ nhiệt
68
4.3
Kích thƣớc mẫu xác định độ bền uốn tĩnh
71
4.4
4.4a. Máy tính Lenovo Y410; 4.4b. Máy Scaner Epson 1670;
4.4c. Quét mẫu gỗ Bạch đàn.
75
4.5
Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với khối lƣợng thể tích
82
4.6
Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với ASE
85
58
ix
4.7
Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với WRE
88
4.8
Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với độ bền uốn tĩnh
91
4.9
Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với Độ bền nén dọc thớ (COM//)
94
4.10
Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với COM R
97
4.11
Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với COM T
99
4.12
Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với Độ nhám bề mặt (Rmax)
102
4.13
Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với Độ bền kéo trƣợt màng keo
106
4.14
Biểu đồ quan hệ giữa chế độ x lý với Độ bong tách màng keo
109
4.15
Biểu đồ quan hệ giữa L*, a* và b* với các chế độ x lý thủy - nhiệt
113
4.16
Biểu đồ quan hệ giữa ΔE* với các chế độ x lý thủy - nhiệt
113
4.17
Độ bền màu tự nhiên (ΔE*) ở các chế độ x lý thủy - nhiệt
116
4.18
Mặt cắt tiếp tuyến của gỗ Bạch đàn chƣa x lý thủy-nhiệt
118
4.19
Mặt cắt tiếp tuyến của gỗ Bạch đàn sau khi x lý thủy-nhiệt ở nhiệt độ 200
o
C, thời gian 3 h
119
4.20
Hình dạng miệng lỗ thông ngang trên vách tế bào sợi gỗ Bạch đàn
119
4.21
Sự thay đổi của thành phần hoá học của chế độ x lý thuỷ - nhiệt
121
4.22
Đƣờng xylose trong môi trƣờng acid tách nhóm acetyl tạo thành acid
122
4.23
Quá trình thủy phân của đƣờng trong gỗ tạo ra furfural và
hydroxymethylfurfural
122
4.24
Tính ổn định nhiệt của gỗ và các thành phần cơ bản của gỗ
123
4.25
Liên kết β-O-4 trong lignin
124
4.26
Phản ứng đa tụ của lignin
124
4.27
Sơ đồ nguyên lý đo phổ hồng ngoại
126
4.28
Phổ hồng ngoại của mẫu Bạch đàn không x lý
4.29
128
0
129
0
Phổ hồng ngoại của mẫu Bạch đàn ở nhiệt độ 120 C và thời gian 3h
4.30
Phổ hồng ngoại của mẫu Bạch đàn ở nhiệt độ 200 C và thời gian 3h
129
4.31
Phƣơng pháp đo tính độ kết tinh của xenlulo
132
4.32
Phổ nhi u xạ tia X của mẫu gỗ Bạch đàn trƣớc và sau khi x lý nhiệt
133
4.33
Độ kết tinh của xenlulo gỗ Bạch đàn trƣớc và sau khi x lý thủy-nhiệt
134
4.34
Biểu đồ tính toán vùng thông số công nghệ hợp lý
140
x
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Tên bảng
Trang
1.1
Đặc điểm một số công nghệ x lý nhiệt hiện nay
8
1.2
Phân loại và ứng dụng gỗ x lý nhiệt theo công nghệ ThermoWood
24
2.1
Bảng kế hoạch thực nghiệm
35
2.2
Mức, bƣớc thay đổi các biến số
36
2.3
Ma trận quy hoạch thực nghiệm
36
4.1
Chế độ x lý thuỷ nhiệt cho gỗ Bạch đàn
67
4.2
Thông số kỹ thuật thiết bị x lý nhiệt
68
4.3
Khối lƣợng thể tích của gỗ Bạch đàn
81
4.4
Hệ số chống trƣơng nở ASE của gỗ Bạch đàn
84
4.5
Hiệu suất chống hút nƣớc WRE của gỗ Bạch đàn
87
4.6
Độ bền uốn tĩnh của gỗ Bạch đàn
90
4.7
Độ bền nén dọc thớ của gỗ Bạch đàn
93
4.8
Độ bền nén ngang thớ theo chiều xuyên tâm (COM R) của gỗ Bạch đàn
96
4.9
Độ bền nén ngang thớ theo chiều tiếp tuyến (COM T) của gỗ Bạch đàn
98
4.10
Độ nhám bề mặt (Rmax) của gỗ Bạch đàn
101
4.11
Độ bền kéo trƣợt màng keo ( k ) của gỗ Bạch đàn
105
4.12
Độ bong tách màng keo của gỗ Bạch đàn
108
4.13
Độ lệch màu ΔE* ở các chế độ x lý thủy – nhiệt với mẫu đối chứng
112
4.14
Độ lệch màu ΔE* ở các chế độ x lý thủy – nhiệt sau 60 ngày
116
4.15
Hàm lƣợng thành phần hóa học cơ bản của gỗ trƣớc và sau x lý
120
4.16
Phân vùng của phổ hồng ngoại
126
4.17
Thuộc tính phổ FTIR của gỗ Bạch đàn
130
4.18
Chia trọng số các tính chất
135
1
MỞ ĐẦU
Gỗ là vật liệu không đồng nhất và không đẳng hƣớng, vì thế làm cho gỗ có tính
chất co rút, dãn nở, cong vênh, nứt nẻ, hút, nhả ẩm,… dẫn đến thay đổi kích thƣớc theo
các chiều khác nhau gây khó khăn trong quá trình gia công, chế biến và s dụng gỗ.
Tính chất cơ học, vật lý và công nghệ là chỉ tiêu quan trọng đánh giá phẩm chất gỗ, thế
nên các nhà khoa học luôn luôn hƣớng đến các nghiên cứu nhằm cải thiện và hạn chế
những nhƣợc điểm của bản thân gỗ mang lại. Con ngƣời đã xác định các tính chất cơ
học, vật lý và các tính chất khác của gỗ để ứng dụng hiệu quả từng loại gỗ vào các mục
đích phù hợp. Gỗ rừng trồng, không những có nhiều yếu điểm về độ bền so với gỗ rừng
tự nhiên, mà còn thƣờng có tính thẩm mỹ không cao, màu sắc, vấn thớ xấu không đƣợc
ƣa chuộng, sự co rút dãn nở của gỗ ảnh hƣởng đến việc s dụng gỗ kém hiệu quả. Bên
cạnh đó, gỗ rừng trồng có độ nhẵn khi gia công thấp ảnh hƣởng đến quá trình trang sức
của gỗ. Bởi thế, việc nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao phẩm chất gỗ là điều cần
thiết đòi hỏi các nhà khoa học cần quan tâm.
Theo Quyết định số: 62/2006/QĐ-BNN, ngày 16 tháng 8 năm 2006 của Bộ
trƣởng Bộ NN&PTNT về việc phê duyệt chiến lƣợc phát triển giống cây lâm nghiệp
giai đoạn 2006-2020 đã nêu rõ cây gỗ Bạch đàn là một loại cây ƣu tiên rừng trồng. Cây
Bạch đàn s dụng rộng rãi trên thị trƣờng gỗ Việt Nam, bởi cây có ƣu điểm khả năng
tăng trƣởng nhanh, gỗ có màu sắc đẹp, tính chất cơ học, vật lý khá cao .... Tuy nhiên,
nhƣợc điểm của gỗ Bạch đàn có nội ứng suất ngầm nên khi s dụng gỗ d bị cong
vênh, nứt, tách, … Do vậy, gỗ Bạch đàn chủ yếu cung cấp làm nhiên liệu đốt, bột giấy,
sản xuất ván mỏng và ván dán, ván dăm, ván sợi cứng, ván sợi - bông. Vì thế, các nhà
khoa học cần phải có biện pháp kỹ thuật để khắc phục nhƣợc điểm của gỗ Bạch đàn,
đặc biệt là áp dụng công nghệ chế biến gỗ để s dụng phù hợp và hiệu quả loại gỗ này.
X lý nhiệt cho gỗ nói chung và x lý thủy nhiệt nói riêng là một hƣớng mới để
khắc phục một hay nhiều nhƣợc điểm của gỗ bằng cách thay đổi tính chất của gỗ. Mục
đích của x lý nhiệt cho gỗ là giảm khả năng hút ẩm của gỗ, cải thiện tính ổn định kích
thƣớc, tăng khả năng chống sự phá hoại của sinh vật và vi sinh vật hại gỗ, tăng khả
năng chống chịu môi trƣờng .... mà không gây độc hại. Biến tính gỗ có rất nhiều
2
phƣơng pháp. Trong những năm gần đây ở các nƣớc phát triển nhƣ Mỹ, Nhật, Nga,
Phần Lan, Trung Quốc... đang s dụng các phƣơng pháp biến tính nhiệt cơ, hoá cơ, hoá
học, nhiệt học, bức xạ - hoá học, nano, enzyme. Biến tính gỗ theo hai xu hƣớng chủ
yếu: nén chặt và không nén chặt. Một số loại hình biến tính: ngâm tẩm, gỗ ép lớp, gỗ
nén, gỗ tăng tỷ trọng, polyme hoá. Tuy nhiên, nhiều trong số các phƣơng pháp đó có
tác động xấu tới môi trƣờng và phƣơng pháp đƣợc xem là hữu hiệu nhất là phƣơng
pháp x lý nhiệt. Theo kết quả của nhiều công trình nghiên cứu ngoài nƣớc gỗ đƣợc x
lý thuỷ nhiệt có tính ổn định kích thƣớc cao, tăng độ nhẵn bề mặt gỗ, khả năng chống
mối mọt, thay đổi màu sắc gỗ từ nhạt sang đậm giống các loại gỗ quý và độ bền màu tự
nhiên tăng so với gỗ không x lý. Đặc điểm hết sức quan trọng của phƣơng pháp này là
không dùng hoá chất do đó rất thân thiện với môi trƣờng và con ngƣời. Trên thế giới
phƣơng pháp biến tính nói chung và phƣơng pháp x lý thuỷ - nhiệt nói riêng đã phát
triển mạnh nhƣng ở Việt Nam vấn đề thuỷ - nhiệt gỗ vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu. Vì thế
để nâng cao chất lƣợng và s dụng hợp lý gỗ nhƣng không gây ô nhi m môi trƣờng,
nguyên liệu mục tiêu của hƣớng nghiên cứu lựa chọn một loại gỗ rừng trồng đang đƣợc
s dụng rộng rãi ở nƣớc ta với nhiều ƣu điểm về tốc độ sinh trƣởng, màu sắc, trữ
lƣợng... để x lý bằng phƣơng pháp thuỷ - nhiệt.
Cho đến nay, các công trình nghiên cứu về phƣơng pháp x lý nhiệt và thủy nhiệt cho gỗ vẫn thƣờng s dụng trên cơ sở kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc, kết hợp với phƣơng pháp thực nghiệm để cho kết quả. Tuy nhiên, các kết
quả nghiên cứu đó chỉ phù hợp với điều kiện cụ thể, để ứng dụng phƣơng pháp này tại
Việt Nam thi cần có nghiên cứu phù hợp với điều kiện hiện tại trong nƣớc, cần có tính
hệ thống và cơ sở khoa học nhằm ứng dụng các kết quả nghiên cứu của phƣơng pháp
x lý thủy - nhiệt này.
Xuất phát từ những lý do trên, chúng tôi tiến hành luận án: “Nghiên cứu ảnh
hưởng của chế độ xử lý thủy - nhiệt đến chất lượng gỗ Bạch đàn (Eucalyptus
urophylla S.T. Blake)”, nhằm có đƣợc những căn cứ khoa học xác đáng, thúc đẩy phát
triển công nghệ biến tính gỗ nói chung và x lý thủy - nhiệt nói riêng cho ngành Công
nghệ gỗ, mở rộng phạm vi và nâng cao hiệu quả s dụng nguồn nguyên liệu và đa dạng
hóa loại hình sản phẩm.
3
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Khái niệm về biến tính gỗ v xử lý thủy - nhiệt
1.1.1. Khái niệm biến tính gỗ [41],[42]
Callum Hill (2006) trong cuốn ―Wood modification: chemical, thermal and
other processes‖ đã định nghĩa: ―biến tính gỗ liên quan đến quá trình tác động của tác
nhân hoá học, sinh học hoặc vật lý đến vật liệu gỗ, tạo ra sự cải thiện các tính chất của
gỗ trong quá trình s dụng. Bản thân gỗ x lý nhiệt ít gây độc và không tạo ra các chất
độc trong qua trình s dụng; hơn thế nữa, các sản phẩm tái chế từ gỗ x lý nhiệt và phế
thải của gỗ x lý nhiệt cũng không gây độc hại với con ngƣời và môi trƣờng‖.
Biến tính gỗ là quá trình tác động đến cấu trúc tế bào gỗ nhƣ đƣợc mô tả ở hình 1.1
Điền đầy
ruột tế bào
Điền đầy
vách tế bào
Hóa chất
phản ứng với
nhóm OH
Hóa chất tạo
cầu nối với
chuỗi xelulo
Thay đổi cấu
trúc vách tế
bào
Hình 1.1. Biến tính gỗ tác ộng ến cấu trúc tế b o gỗ (dựa vào minh hoạ của
Norimoto, (2001))
A: Cấu trúc gỗ từ thô đại đến hiển vi và siêu hiển vi
4
B: Các hình thức thay đổi trong tế bào gỗ do biến tính, từ trái sang phải: (B1) hóa
chất tích tụ ở ruột tế bào, (B2) hóa chất tích tụ ở vách tế bào, (B3) hoá chất có phản
ứng với nhóm hydroxyl của xenlulo (liên kết một phía), (B4) hoá chất tạo cầu nối với
các chuỗi xenlulo (liên kết hai phía), (B5) thay đổi cấu trúc vách tế bào (dựa vào minh
hoạ của Norimoto, (2001)).
Tuỳ theo các tác nhân biến tính và đặc điểm quá trình tác động lên cấu trúc tế bào,
biến tính gỗ có thể đƣợc chia thành: biến tính hoá học, vật lý và hóa cơ.
1.1.2. Khái niệm xử lý thuỷ - nhiệt [21],[28],[36],[41],[42],[43]
X lý thủy - nhiệt là quá trình làm thay đổi một số tính chất vật lý, cơ học, sinh
học và tính chất công nghệ của gỗ dƣới tác dụng của nhiệt độ cao khi x lý gỗ ở trong
môi trƣờng nƣớc hoặc hơi nƣớc, sau đó đƣợc gia nhiệt bằng phƣơng pháp sấy.
Nhiệt độ của môi trƣờng trong x lý thuỷ - nhiệt cho gỗ dao động từ 120°C đến
200°C. Ở nhiệt độ thấp hơn 100°C, tính chất vật liệu gỗ thay đổi không đáng kể, nhƣng
nếu nhiệt độ lớn hơn 200°C, gỗ sẽ bị phá huỷ nghiêm trọng, đặc biệt là cƣờng độ của
gỗ giảm đáng kể. Các quá trình x lý thuỷ - nhiệt hiện nay giới hạn nhiệt độ x lý
không vƣợt quá 200°C và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ:
- Thời gian và nhiệt độ của quá trình x lý
- Loại gỗ
- Độ ẩm của gỗ trƣớc khi x lý
- Kích thƣớc của mẫu gỗ đƣợc x lý
X lý thuỷ - nhiệt là quá trình x lý 2 giai đoạn:
1. X lý thủy - nhiệt :
120 °C - 200 °C
Làm khô sơ bộ
Hong phơi tự nhiên
2. Đa tụ :
120 °C - 200 °C
5
1
2
Hình 1.2. Quá tr nh xử lý thủy - nhiệt
Quá trình của x lý thủy - nhiệt là x lý qua 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Gỗ đƣợc x lý trong môi trƣờng nƣớc ở nhiệt độ cao làm hòa tan một
số chất chiết xuất, phá hủy hemixenlulo, tiền thân phân hủy lignin và xenlulo (khi nhiệt
độ và độ ẩm cao).
Giai đoạn 2: Gỗ sau khi x lý trong môi trƣờng nƣớc hoặc hơi nƣớc, để ráo rồi tiến
hành sấy. Khi đó các chất bị tan trong giai đoạn 1 đƣợc đa tụ lại hình thành các chất
mới trong gỗ.
Thiết bị xử lý nhiệt của quy tr nh
PLATO®-WOOD [28]
Thiết bị xử lý nhiệt của quy trình OHT in
Reulbach - ẢnhMenz Holz, Đức [21]
Hình 1.3. Thiết bị xử lý nhiệt v thủy - nhiệt
6
2.2. Tổng quan nghiên cứu về xử lý nhiệt v thủy – nhiệt
Các công trình nghiên cứu gỗ biến tính đã đƣợc thực hiện từ khá lâu. Sản phẩm gỗ biến
tính có nhiều tính chất đƣợc cải thiện so với gỗ nguyên. Từ xa xƣa, con ngƣời đã dùng
nhiều các biện pháp truyền thống mang tính thủ công để bảo quản gỗ và thay đổi màu
sắc gỗ… bằng việc ngâm gỗ ở các ao hồ, tiếp theo đó là x lý làm dẻo cho gỗ nhƣ hấp,
luộc gỗ thông qua quá trình truyền nhiệt vào trong gỗ để ứng dụng chế biến sản xuất gỗ
cho các mục đích khác nhau của sản phẩm. Ngay nay, công nghệ s dụng nhiệt làm
thay đổi, nâng cao chất lƣợng gỗ đƣợc ứng dụng rộng rãi và khác nhau. Tuy nhiên, với
một xu hƣớng chung là ―Nâng cao chất lƣợng gỗ‖, trong luận án nay tập trung trình
bày các phƣơng pháp x lý nhiệt nói chung và x lý thủy - nhiệt nói riêng.
2.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
2.2.1.1. Các phương pháp xử lý nhiệt hiện nay
Từ những năm 1915, báo cáo của Tiemann [69] đã đề cập đến, gỗ sau khi sấy ở
nhiệt độ 1500C trong thời gian 4h, tính hút ẩm giảm 10-25%, nhƣng cƣờng độ của gỗ
cũng có sự giảm nhẹ. Đến năm 1937, trong báo cáo của Stamm và Hansen [65] thể
hiện, x lý nhiệt trong điều kiện có các loại chất khí bảo vệ, độ ẩm bão hòa của gỗ, tỉ lệ
co rút, giãn nở của gỗ đều giảm xuống. Sau đó, các phƣơng pháp x lý nhiệt đƣợc phát
triển mạnh và đƣợc cấp bằng sáng chế đó là 5 công nghệ điển hình, cụ thể ở các nƣớc
Châu Âu nhƣ Hà Lan, Pháp, Đức, Phần Lan đã thiết lập đƣợc 5 công nghệ biến tính nhiệt
điển hình nhƣ: PlatoWood của Hà Lan, Le Bois Perdure và Rectification của Pháp,
ThermoWood của Phần Lan, OHT-Oil Heat Treatment của Đức; trên cơ sở các công
nghệ đó, đã đăng ký các bằng phát minh sáng chế và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong sản
xuất công nghiệp. Tất cả 5 công nghệ x lý nhiệt này, có điểm chung là gỗ phải chịu
nhiệt độ gần hoặc trên 2000C trong vài giờ trong môi trƣờng không khí với hàm lƣợng
oxy thấp. Các loại hình x lý này, có chung một đặc điểm là một số tính chất cơ học
giảm, tính ổn định kích thƣớc và độ bền sinh học tăng lên mà không cần thêm các hóa
chất bên ngoài và chất bảo quản [21].
7
Công nghệ x lý nhiệt PlatoWood (biến tính thủy - nhiệt) của Hà Lan s dụng các
công đoạn khác nhau tiến hành x lý gỗ, kết hợp quá trình nhiệt giải trong nƣớc với sấy
và ổn định hóa. Trong quá trình x lý, tác dụng của thủy - nhiệt làm cho cấu trúc hóa
học của gỗ biến đổi, dẫn đến thay đổi các tính chất của gỗ. Phƣơng pháp x lý này chủ
yếu đƣợc cấu thành từ hai công đoạn chính, và công đoạn sấy trung gian. Giai đoạn thứ
nhất, tiến hành x lý gỗ tƣơi hoặc gỗ phơi khô trong điều kiện nhiệt độ từ 160-190oC
với áp suất nhất định, sau đó s dụng phƣơng pháp sấy thông thƣờng làm giảm độ ẩm
gỗ, tiếp theo tiến hành giai đoạn thứ hai, trong giai đoạn này gỗ đƣợc đặt trong môi
trƣờng có nhiệt độ 170-190oC tiến hành x lý ổn định hóa. Thời gian x lý của quá
trình này phụ thuộc và loại gỗ, độ dày và hình dạng ván…[28],[43].
Công nghệ x lý dầu nhiệt (OHT) s dụng các loại dầu thực vật từ tự nhiên thông
qua vòng tuần hoàn kín tiến hành x lý gỗ, nhiệt độ thƣờng dùng từ 160oC trở lên [73].
Công nghệ này thiết bị phức tạp chí phí tốn kém.
Công nghệ x lý nhiệt Retification [72],[77] của Pháp s dụng gỗ phơi khô (độ
ẩm khoảng 12%), tiến hành x lý ở nhiệt độ 210-240oC, trong môi trƣờng khí N2 có
hàm lƣợng O2 dƣới 2%. Với công nghệ này, nhiệt độ x lý cuối cùng trong quá trình
x lý có ảnh hƣởng rất lớn đến độ bền tự nhiên và cƣờng độ gỗ. Gỗ sau khi x lý, độ
bền tự nhiên tăng lên đáng kể, mức độ thay đổi phụ thuộc vào loại gỗ, nhiệt độ và thời
gian x lý.
Công nghệ x lý nhiệt ThermoWood của Phần Lan s dụng gỗ đã sấy tiến hành x
lý nhiệt trong môi trƣờng hơi nƣớc. Sản phẩm của công nghệ này đƣợc phân thành hai
cấp là ThermoS và ThermoD, trong đó ―S—Stability‖ thể hiện tính ổn định, ―D—
Durability‖ thể hiện độ bền tự nhiên, đặc biệt là khả năng chống mục. Loại ThermoD
thích hợp s dụng làm công trình kiến trúc ngoài trời, đồ gia dụng… Hiện tại công nghệ
này đã đạt đƣợc nhiều thành tựu đáng kể, sản phẩm có thị trƣờng lớn nhất so với các
công nghệ còn lại [68].
8
Dƣới đây là bảng so sánh đặc điểm của các công nghệ x lý nhiệt gỗ hiện nay
[28],[61],[68],[74].
Bảng 1.1. Đặc iểm một số công nghệ xử lý nhiệt hiện nay
Tên công nghệ
Chất bảo vệ
Độ ẩm ban ầu
Nhiệt ộ xử lý
(oC)
Giá
thànha(€/m3)
ThermoWood
Hơi nƣớc
Gỗ tƣơi hoặc gỗ
sấy
180-250
-
Retification
Khí N2
Gỗ phơi khô
200-240
150-160
Perdure
Hơi nƣớc
Gỗ tƣơi
200-240
100
PlatoWood
Nƣớc, hơi nƣớc Gỗ tƣơi hoặc gỗ
hoặc không khí phơi khô
170-190
100
OHT
Dầu thực vật
180-220
65-95
Gỗ phơi khô
a
Ghi chú: Không bao gồm giá thành nguyên liệu
Theo tổng kết x lý nhiệt cho gỗ của mạng lƣới Châu Âu chuyên đề cho gỗ biến
tính đƣợc tổ chức Hội thảo tại Pháp gồm các quy trình sau:
a) Quy trình ThermoWood của Phần Lan [21]
Tuula Syrjänen, Kestopuu Oy (2001), báo cáo ―sản xuất và phân loại gỗ x lý
nhiệt tại Phần Lan‖: Ở Phần Lan x lý nhiệt gỗ bắt đầu vào đầu những năm 1990 khi
nhà máy x lý đầu tiên đƣợc xây dựng ở Mänttä. ThermoWood, đã đƣợc phát triển tại
Trung tâm nghiên cứu Phần Lan VTT cùng với ngành công nghiệp Phần Lan. Hiện
nay, các nhà sản xuất liên kết ở các dự án nghiên cứu, đặc biệt là trong đó nhằm mục
đích kiểm soát chất lƣợng và phân loại x lý nhiệt gỗ. Theo Hiệp hội quá trình
ThermoWood có thể chia thành ba giai đoạn chính:
- Giai đoạn 1: Nhiệt độ tăng và thiết bị x lý nhiệt độ cao. Nhiệt độ thiết bị x lý
đƣợc nâng lên với tốc độ nhanh chóng bằng cách s dụng nhiệt và hơi nƣớc lên một
mức độ khoảng 1000C. Sau đó nhiệt độ tăng dần đến 1300C trong thời gian đó sấy ở
nhiệt độ cao di n ra và độ ẩm trong gỗ giảm xuống gần nhƣ bằng không.
- Giai đoạn 2: X lý nhiệt: Khi các lò sấy nhiệt độ cao đã di n ra các nhiệt độ
bên trong lò tăng lên đến một mức độ giữa 1500C và 2400C, duy trì nhiệt độ cần đặt
(không đổi) trong 0,5 đến 4 giờ tùy thuộc vào ứng dụng s dụng cuối cùng.
- Xem thêm -